淺談油氣集輸管網(wǎng)布局優(yōu)化的發(fā)展

摘 要：油氣集輸系統(tǒng)工程是繼油氣藏勘探、開發(fā)和油氣田開采之后的一個非常重要的生產(chǎn)階段。對油氣集輸系統(tǒng)進行優(yōu)化研究會取得顯著的經(jīng)濟效益。文中詳細介紹了不同時期集輸管網(wǎng)布局優(yōu)化的模型和求解方法及現(xiàn)階段發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：油氣集輸 管網(wǎng)系統(tǒng) 布局優(yōu)化 優(yōu)化算法

中圖分類號：TE83231 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0125-01

油氣集輸系統(tǒng)是油田地面管網(wǎng)工程的核心，這一系統(tǒng)由礦井、計量間、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站等多級站點結(jié)構(gòu)組成。油氣集輸系統(tǒng)整體投資一般占整個油田地面工程的60%～70%，占整個油田工程的40%左右。耗費除了各級站點及相連接的管道建設(shè)費用外還涉及各級站址及管網(wǎng)的生產(chǎn)、運行、安全、管理投資。通常因管材質(zhì)地不同而價格不等，有些管材費用平均每公里十幾萬元。即使是一個計量間的建設(shè)投資也達到數(shù)百萬元[1]。同時油氣集輸管網(wǎng)水力、熱力耗散巨大，在油田生產(chǎn)能耗中占主導(dǎo)地位，所以對集輸管網(wǎng)進行優(yōu)化可收到顯著的經(jīng)濟效益。

1 管網(wǎng)布局優(yōu)化的概況

20世紀70～80年代的油田的開發(fā)和建設(shè)對集輸系統(tǒng)的優(yōu)化主要靠人工規(guī)劃，優(yōu)化效果不理想，隨意性較強。楊廷覺建立了輸氣管道數(shù)學(xué)模型，這一模型以年成本費用最小化為優(yōu)化目標(biāo)。盡管模型比較簡單，但為最優(yōu)化理論在油田集輸技術(shù)上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。以后的集輸優(yōu)化研究均以極小化成本費用為目標(biāo)函數(shù)進行探索。李書文、姚亦華提出新的求解算法，利用約束函數(shù)雙速下降法和混合罰函數(shù)法求解了枝狀天然氣集輸優(yōu)化模型，這兩種算法混合使用是優(yōu)化效果的到了提升。之后李書文針對天然氣田合理規(guī)劃問題求解算法又進行了深入的研究先后又提出了Kruskal算法、Steiner最短樹法，這些算法對油氣田優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計的求解提供了有效的求解途徑。

90年中后期，油田生產(chǎn)能耗升高，產(chǎn)油量的提升進入瓶頸期，對集輸系統(tǒng)優(yōu)化的認識顯著提高，借助計算機技術(shù)來解決油氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化問題已成為一種趨勢。這一時期劉揚教授在針對油氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計問題的研究中引入模糊優(yōu)化思想，將約束條件如溫度、壓力等進行了模糊化處理，建立了對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并采用數(shù)值求解方法進行求解[2]。之后劉揚等人又考慮到環(huán)形結(jié)構(gòu)的布局方法可以擴大集輸半徑，縮短長度，減少各級站點個數(shù)，節(jié)省建設(shè)投資等優(yōu)點又研究了環(huán)形集輸管網(wǎng)的布局優(yōu)化設(shè)計問題。星狀模型和環(huán)形模型的建立使集輸優(yōu)化的模型理論趨于成熟，但實際上仍然有許多難題沒有考慮或是沒有找到圓滿的解決方案。例如在理論上設(shè)計出來的建設(shè)地點并不能進行施工或者不適合施的問題如何解決；帶障礙約束問題的管網(wǎng)布局優(yōu)化問題的求解。

隨著新世紀的到來，陸地主要油田進入二次、三次開采階段，這一時期的特點是油田高含水、特高含水并且外圍礦井開采難度加大，油田生產(chǎn)成本逐年增加。如何進一步優(yōu)化集輸系統(tǒng)，降低油田生產(chǎn)建設(shè)成本，成為亟待解決的問題。這時期集輸管網(wǎng)優(yōu)化研究的主要方向轉(zhuǎn)為既具有實用價值又能高效求解的算法研究。

2001年，李長俊等人針對含有的大量離散變量和連續(xù)變量的數(shù)學(xué)模型嘗試利用一種組合型算法進行求解，優(yōu)化結(jié)果令人滿意。之后劉震和潘斌等人在利用圖論和網(wǎng)絡(luò)分析理論的基礎(chǔ)上，針對海底油氣集輸管網(wǎng)的布局方式進行了優(yōu)化，提出了圖的所有生成樹并結(jié)合圖的加權(quán)中心逐步生長法思想，依靠這兩種方法成功的在有效時間內(nèi)求的可行最優(yōu)解，并且能夠有效的保證經(jīng)過N-1次迭代后必收斂于最優(yōu)解[3]。劉揚等人采用遺傳算法等多種啟發(fā)式算法，以極小化油井與上一級站點以及各級站點之間的距離和為目標(biāo)函數(shù)，將原有問題劃分為連接關(guān)系的拓撲優(yōu)化問題和各級站址的位置優(yōu)化問題，確定油氣集輸系統(tǒng)最優(yōu)布局優(yōu)化。而魏立新教授在運用遺傳算法和模擬退火算法的全局搜索能力的基礎(chǔ)上創(chuàng)立了混合遺傳算法，其運算能力，收斂效果，優(yōu)化結(jié)果均優(yōu)于分級優(yōu)化法[4]。

2 管網(wǎng)布局優(yōu)化的發(fā)展趨勢

從布局優(yōu)化發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，針對集輸管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計最初只是解決例如計算最優(yōu)管徑等簡單的局部單一目標(biāo)的優(yōu)化問題，這類問題求解算法簡單，優(yōu)化效果不明顯，所以應(yīng)用范圍小。隨著最優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展與完善，利用計算機求解復(fù)雜的多目標(biāo)、多變量、全局優(yōu)化問題，例如在優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)時，不但要考慮管道建設(shè)投資問題還要涉及安全運行、站址和管線維護投資、管道水力熱力能耗等多個目標(biāo)進行綜合優(yōu)化。優(yōu)化問題的研究和應(yīng)用范圍逐步擴大，優(yōu)化效果顯著提高。由于優(yōu)化問題涉及的目標(biāo)增加了，影響規(guī)劃效果的隱變量也相應(yīng)增多，在優(yōu)化過程中可以采用模糊優(yōu)化的方法進行處理，例如限定注水井的注水用量不得大于15 t/d，但是實際用量是15.43 t/d，計算機會判定不滿足約束要求，而實際上是能夠接受的。現(xiàn)階段油田地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化僅僅以總建設(shè)費用最少來確定的，這必定存在一定的優(yōu)化缺陷。因此利用灰色系統(tǒng)理論進行模糊優(yōu)化處理評判最優(yōu)方案，有利于克服某些不足[5]。

就求解算法而言，80～90年代油氣集輸系統(tǒng)的優(yōu)化各方面研究主要還是依靠傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法。例如將油區(qū)內(nèi)礦井劃分為井組的問題常常用分支定界算法、分級優(yōu)化法、動態(tài)規(guī)劃法進行求解。雖然這些算法取得了經(jīng)濟效益，但優(yōu)化效果有待提高。隨著優(yōu)化理論在油田應(yīng)用的深入，傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法的求解不能滿足油田規(guī)劃。進入兩千年以后，以禁忌搜索，模擬退火遺傳算法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的啟發(fā)式算法求解能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)典優(yōu)化算法，優(yōu)化效果得到了很大的提高。隨著算法研究的深入，求解算法呈現(xiàn)出智能化的發(fā)展趨勢。通過將各種算法的優(yōu)點有機融合，形成各種混合算法，提高求解能力，規(guī)劃問題的優(yōu)化效果也趨于完善。

但考慮到油氣集輸系統(tǒng)是一個巨大的多網(wǎng)絡(luò)、多目標(biāo)、多變量規(guī)劃問題，較高的技術(shù)難度和巨大的工作量使得這一領(lǐng)域的許多問題的解決效果有待提高，這需要科技工作者和工程技術(shù)人員近一步努力。

參考文獻

[1]袁宗明.天然氣集輸管網(wǎng)最優(yōu)規(guī)劃研究[D].西南石油學(xué)院，2002：1～2.

[2]劉揚.集輸管網(wǎng)系統(tǒng)模糊優(yōu)化設(shè)計[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報，1996，6.

[3]劉震，潘斌.可靠性約束下的海底油氣集輸管線網(wǎng)絡(luò)拓撲分析[J].中國海洋平臺，2008，18（2）：75～78

[4]魏立新.基于智能計算的油田地面管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2005：12～13.

[5]汪玉春，李長俊.油氣管道的投資灰色與計算[J].天然氣工業(yè)，1998（6）.